블랙홀은?
블랙홀은 우주에서 가장 빠른 빛(초속 약 30만㎞)도 빠져나오지 못할 정도로 중력이 큰 천체다. 빛이 관측할 수 없고 우주의 구멍처럼 생겼다고 여겨져 블랙홀이라고 불리게 됐다고 한다.
중력을 떨쳐 물체의 표면에서 멀리 날아가기 위해서는 탈출 속도라고 불리는 특정한 속도가 필요하다. 예를 들어, 지구의 중력을 탈출하기 위해서는 적어도 초당 11.2 킬로미터의 속도가 필요하다.
체질량이 크고 지름이 작을수록 탈출 속도가 빨라진다. 블랙홀의 경우, 모든 질량이 특이점이라고 불리는 매우 좁은 영역으로 밀려나고, 주변 시공간이 심하게 왜곡되어 탈출 속도가 빛의 속도를 초과한다.
블랙홀 외부에서 오는 빛도 강한 중력에 의해 휘어지는데, 일정 거리에 가까워지면 블랙홀에서 탈출하는 것이 불가능해진다고 한다.
블랙홀의 중력을 벗어날 수 있는 최대 거리 빛을 슈바르츠실트 반지름, 슈바르츠실트 반지름이 그리는 상상의 구를 사건 지평선이라고 한다.
블랙홀의 형태
블랙홀 자체는 볼 수 없지만 간접적으로 관찰할 수 있다. 블랙홀의 강한 중력에 이끌리는 가스 등 물질은 흡입하면서 블랙홀 주변을 고속으로 회전하는 낙하 원반을 형성한다.
원반이라고 불리는데, 중심부에 블랙홀이 있어야 하기 때문에 실제로는 넓은 고리 모양의 구조입니다. 강착 원반은 빛(전자파)을 방출하기 때문에 블랙홀의 성질을 자세히 관찰하면 알 수 있다.
블랙홀은 또한 모든 물질을 흡입하는 대신 물질의 일부를 제트로 방출한다. 제트는 또한 빛(전자파)을 방출하고 관찰할 수 있다. 게다가, 블랙홀을 공전하는 별들의 움직임은 블랙홀의 성질을 조사하고 일반 상대성 이론을 시험하는 데 사용된다.
주변에서 나오는 가스 등을 흡입하면 블랙홀의 질이 높아지는데, 최근 중력파 망원경으로 관측한 결과 두 개의 블랙 홀로 구성된 쌍성이 결합할 때 중력파도 감지되고 있다.
사건 표면에 진입할 때 빛의 속도로 빠져나가지 못하는 블랙홀은 영구적으로 성장하는 천체처럼 보이지만 양자역학적 효과를 통해 에너지를 복사하면서 오랜 시간에 걸쳐 증발하기도 한다. 이 현상은 스티븐 호킹의 주장의 이름을 따서 호킹 방사선이라고 불린다.
블랙홀은 어떻게 생겼을까?
2019년 4월, 국제협력 프로젝트 EHT 사건 지평선 망원경은 타원은하 M87의 중심에 있는 초대질량 블랙홀 주변을 성공적으로 촬영했다고 발표했다.
EHT가 공개한 이 이미지를 보면 오렌지 고리에 블랙홀이 있는 것처럼 보인다. EHT에서는 블랙홀 자체 대신 블랙홀의 중력 방향을 구부리는 빛(전자파)이 그리는 블랙홀(그림자)의 그림자를 말한다.
M87 중심부에 있는 초 질량 블랙홀의 표면은 지름이 약 400억㎞로 그림자 크기의 2.5배로 추정된다. 블랙홀에 너무 가까운 빛은 사건 표면에서 나오지 않겠지만 흡입하지 않고 방향이 크게 바뀌는 빛이 있을 것이다.
그림자는 빛이 원에 들어오지 않기 때문에 그려진다. 우리가 블랙홀을 명확히 볼 수 있다면 어떤 모습일까?
NASA 고다드 우주비행센터가 공개한 블랙홀을 보는 방법 시뮬레이션 을보면 왼쪽으로 회전하는 강착 원반 위에서 약간 기울어진 위에서 내려다보는 모습을 재현하지만, 오른쪽에서 블랙홀 뒤쪽을 돌아야 할 강착 원반은 마치 블랙홀을 넘어 왼쪽으로 점프하듯 중앙에서 앞으로 휘어진다.